基于云邊端協(xié)同的智慧教學(xué)環(huán)境設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

孫彥博

（重慶警察學(xué)院，重慶 400000）

0 引言

教學(xué)環(huán)境是教學(xué)理念、教學(xué)模式和教學(xué)內(nèi)容的承載者，良好的教學(xué)環(huán)境營(yíng)造了“環(huán)境育人”的物理空間。教育信息化2.0行動(dòng)計(jì)劃開啟以學(xué)生為中心的智能化教學(xué)支持環(huán)境建設(shè)，明確了教學(xué)環(huán)境的對(duì)象屬性和技術(shù)屬性[1]。學(xué)生自我發(fā)展的全面化、精準(zhǔn)化和個(gè)性化愿景成為教學(xué)環(huán)境建設(shè)的導(dǎo)向，而通過教學(xué)方式和學(xué)習(xí)方式將技術(shù)工具和課堂組織進(jìn)行深度耦合賦予教學(xué)環(huán)境以智慧。智慧教學(xué)環(huán)境的功能不再只限于軟硬件智能設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)聯(lián)通，通過感知學(xué)習(xí)情景、識(shí)別學(xué)生特征、提供合適的學(xué)習(xí)資源與便利的互動(dòng)工具，有效促進(jìn)了學(xué)生的學(xué)習(xí)[2]。所以，本項(xiàng)目在完成技術(shù)設(shè)計(jì)、自動(dòng)記錄學(xué)習(xí)過程和評(píng)測(cè)學(xué)習(xí)成果的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步研討了云邊端協(xié)同環(huán)境下教與學(xué)的組織形式。

1 智慧教學(xué)環(huán)境研究現(xiàn)狀

國(guó)外對(duì)于教學(xué)環(huán)境的研究起源于勒溫的心理動(dòng)力場(chǎng)理論，他深入闡釋了人的行為與環(huán)境的關(guān)系[3]。20世紀(jì)80年代，隨著交互式音視頻技術(shù)的發(fā)展，逐漸將嵌入個(gè)人電腦、光盤存儲(chǔ)、視頻節(jié)目等信息技術(shù)的課堂稱為智慧教學(xué)環(huán)境。進(jìn)一步，國(guó)外高校以完善教育服務(wù)提升核心領(lǐng)域影響力為導(dǎo)向，致力于將網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、新一代信息技術(shù)和課程相結(jié)合，不斷顛覆傳統(tǒng)的大學(xué)教育模式，創(chuàng)造出MOOC、SPOC、微課、翻轉(zhuǎn)課堂等全新的教學(xué)環(huán)境[4]。

國(guó)內(nèi)對(duì)于教學(xué)環(huán)境的研究從電化教育起步，教育研究者深入探索了技術(shù)創(chuàng)新手段在豐富學(xué)習(xí)經(jīng)驗(yàn)、增強(qiáng)學(xué)習(xí)成效方面的作用，對(duì)適應(yīng)于泛在學(xué)習(xí)、移動(dòng)學(xué)習(xí)、自適應(yīng)學(xué)習(xí)和混合學(xué)習(xí)的教學(xué)環(huán)境開展了理論研究[5]，與之相適應(yīng)的應(yīng)用場(chǎng)景和智能產(chǎn)品同步涌現(xiàn)，信息技術(shù)已經(jīng)成為推動(dòng)教與學(xué)實(shí)踐變革的不可逆轉(zhuǎn)的力量。

2 在線教學(xué)帶來的挑戰(zhàn)

國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展第十四個(gè)五年規(guī)劃首次提出“發(fā)揮在線教育優(yōu)勢(shì)”。2020年以來，大規(guī)模的在線教學(xué)實(shí)踐極大豐富了教學(xué)和管理內(nèi)涵。推動(dòng)了教師的教，教師是否具備有效組織課堂的能力，能否與學(xué)生相互關(guān)聯(lián)、相互作用激發(fā)學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)，成為能否促進(jìn)有效學(xué)習(xí)的關(guān)鍵因素。推動(dòng)了學(xué)生的學(xué)，將45分鐘的標(biāo)準(zhǔn)課時(shí)顆粒化后，學(xué)生在線課程中表現(xiàn)出更大的自主性，學(xué)習(xí)滿意度甚至超過了面對(duì)面的傳統(tǒng)課堂教學(xué)。推動(dòng)了課堂的組織，遠(yuǎn)程學(xué)習(xí)端點(diǎn)通過直播錄播結(jié)合方式實(shí)現(xiàn)協(xié)作，沉默單向的課堂組織形態(tài)逐步向線上線下互動(dòng)發(fā)展。推動(dòng)了教學(xué)的管理，課堂學(xué)習(xí)過程、學(xué)習(xí)情境、設(shè)備感知和社群互動(dòng)等各方面數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)閉環(huán)，為教學(xué)管理提供了精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)支持[6]。

在線教育正在從萌芽期的新鮮感向教學(xué)新生態(tài)轉(zhuǎn)變，在線化成為智慧教學(xué)環(huán)境建設(shè)的重要方向。然而，在線教學(xué)智能化交互、個(gè)性化學(xué)習(xí)、沉浸式體驗(yàn)的特點(diǎn)，要求教學(xué)環(huán)境必須具備高實(shí)時(shí)性和海量數(shù)據(jù)處理能力。當(dāng)前階段，大部分智慧教學(xué)環(huán)境往往是針對(duì)某一教學(xué)場(chǎng)景的定制化方案，能夠提供的在線服務(wù)質(zhì)量比較粗放，以精品錄播為主要功能的本地化智慧教室無法滿足在線教學(xué)需要，而部署在云端的直播教室往往出現(xiàn)卡頓、丟包、掉線和崩潰等情況，設(shè)備網(wǎng)絡(luò)環(huán)境也有IPv6、IPv4、WIFI、4G、5G、zigbee等多種制式，如何實(shí)現(xiàn)不同教室軟硬件環(huán)境實(shí)時(shí)交互是一項(xiàng)很有挑戰(zhàn)的任務(wù)。

3 云邊端協(xié)同設(shè)計(jì)思路

無延遲狀態(tài)下開展課堂交互是獲得良好教學(xué)體驗(yàn)的基礎(chǔ)。為實(shí)現(xiàn)直播環(huán)境下4K高清視頻傳輸，至少需要保障40M帶寬，帶寬容量和成本是必須考慮的重要因素。傳統(tǒng)在線教學(xué)，采用拉流或推流方式將直播視頻上傳到云端，然后從云端返回控制指令，整個(gè)過程耗時(shí)較長(zhǎng)，不能滿足時(shí)效要求。因此，只有盡可能早地對(duì)端設(shè)備采集的海量數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選，識(shí)別有效數(shù)據(jù)和無效數(shù)據(jù)，降低傳輸和存儲(chǔ)成本，才能在毫秒級(jí)時(shí)間內(nèi)完成從采集數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)處理到實(shí)現(xiàn)交互的過程。云邊端協(xié)同利用邊緣計(jì)算和分布式云技術(shù)，在智慧教學(xué)環(huán)境中增加集網(wǎng)絡(luò)、計(jì)算、存儲(chǔ)、應(yīng)用核心能力為一體的邊緣云服務(wù)，將數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、傳輸、計(jì)算和安全從云端下沉到邊緣節(jié)點(diǎn)，產(chǎn)生更快的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)響應(yīng)[7]。

下面以開展大數(shù)據(jù)課程的AR教室為例，來描述智能設(shè)備在云邊端協(xié)同思路下的交互過程（見圖1）。AR教室部署了大量的IoT傳感器、直播錄播攝像頭、AR可穿戴設(shè)備，而出于安全和IP資源考慮，這些設(shè)備將部署在無公網(wǎng)固定IP的專網(wǎng)環(huán)境。在線教學(xué)需要將這些設(shè)備向公網(wǎng)用戶開放，就需要將它們統(tǒng)一組織到云端，實(shí)現(xiàn)云端的集中訪問和控制。云邊端協(xié)同方式，通過RTSP/Onvif協(xié)議將專網(wǎng)設(shè)備統(tǒng)一接入到邊緣網(wǎng)關(guān)，邊緣網(wǎng)關(guān)再通過GB/T28181與邊緣云對(duì)接。邊緣云實(shí)現(xiàn)AR推理等大量前端計(jì)算，然后將計(jì)算結(jié)果在中心云進(jìn)行訓(xùn)練，訓(xùn)練好的模型又下發(fā)到邊緣云，從而實(shí)現(xiàn)云邊協(xié)同。通過這種逐層分散延伸的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，將設(shè)備就近接入邊緣云，通常IoT設(shè)備與邊緣端設(shè)備之間的時(shí)延可以控制在2ms內(nèi)，適合處理實(shí)時(shí)性要求極高的教學(xué)數(shù)據(jù)，與邊緣云之間的時(shí)延也可以控制在10ms內(nèi)，滿足AR直播場(chǎng)景。

圖1 云一邊協(xié)同技術(shù)思路

4 云一邊協(xié)同平臺(tái)模型

按照云邊端協(xié)同設(shè)計(jì)思路，采用容器技術(shù)和微服務(wù)架構(gòu)來構(gòu)建云邊端協(xié)同平臺(tái)（見圖2）。平臺(tái)將模型、運(yùn)行環(huán)境、服務(wù)、任務(wù)以容器的方式解耦，借助鏡像倉庫共享整個(gè)開發(fā)和運(yùn)行環(huán)境，對(duì)任一對(duì)象的調(diào)整都不影響整體環(huán)境的部署。微服務(wù)架構(gòu)包含服務(wù)目錄注冊(cè)與發(fā)現(xiàn)、API網(wǎng)關(guān)、服務(wù)代理、服務(wù)熔斷等功能，持續(xù)整合工作流服務(wù)組件和標(biāo)準(zhǔn)化接口，打通從數(shù)據(jù)獲取、數(shù)據(jù)處理、算法構(gòu)建、模型訓(xùn)練、模型評(píng)估、模型部署到應(yīng)用發(fā)布的智能設(shè)備全流程生態(tài)閉環(huán)。平臺(tái)通過數(shù)據(jù)中心、模型中心、服務(wù)中心、應(yīng)用中心、邊緣中心、管理中心等六個(gè)中心模塊，快速獲取多種來源訓(xùn)練數(shù)據(jù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)標(biāo)注及特征提取，按需調(diào)度算力資源進(jìn)行模型生產(chǎn)及效果評(píng)估，并將模型一鍵部署至教學(xué)應(yīng)用[8]。

圖2 云一邊協(xié)同平臺(tái)設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)中心負(fù)責(zé)異構(gòu)數(shù)據(jù)源的數(shù)據(jù)接入，支持結(jié)構(gòu)化、非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和數(shù)據(jù)集管理。模型中心負(fù)責(zé)模型發(fā)布、邊緣推理、配置管理，通過模型中心創(chuàng)建的各類機(jī)器學(xué)習(xí)和深度學(xué)習(xí)算法可以在發(fā)布后，直接調(diào)用訪問地址對(duì)接業(yè)務(wù)應(yīng)用，邊緣推理將模型服務(wù)發(fā)布到邊緣節(jié)點(diǎn)，配置管理包含用戶管理、組織管理、鏡像管理、操作日志、權(quán)限管理、運(yùn)維管理、容器管理等組件。服務(wù)中心負(fù)責(zé)組件管理、服務(wù)編排、任務(wù)管理、任務(wù)執(zhí)行和服務(wù)管理，組件管理將接入的各項(xiàng)服務(wù)封裝為可被業(yè)務(wù)編排使用的組件，服務(wù)編排結(jié)合業(yè)務(wù)邏輯快速組合連接各組件，任務(wù)管理實(shí)現(xiàn)任務(wù)的接收、派發(fā)與容災(zāi)，任務(wù)執(zhí)行將接收的派發(fā)任務(wù)啟動(dòng)執(zhí)行并維護(hù)負(fù)載均衡，服務(wù)管理支持按照調(diào)用記錄查看執(zhí)行日志和可視化展示。應(yīng)用中心管理平臺(tái)預(yù)制的典型應(yīng)用和自定義的應(yīng)用。邊緣中心負(fù)責(zé)平臺(tái)邊緣側(cè)的邊緣單元、邊緣組件、邊緣運(yùn)營(yíng)，邊緣單元對(duì)靠近邊緣數(shù)據(jù)源頭的計(jì)算設(shè)備進(jìn)行統(tǒng)一管理，邊緣組件提供通用能力組件和開發(fā)、運(yùn)維工具，邊緣運(yùn)營(yíng)提供不同類型的設(shè)備接入能力并管理操作日志。管理中心則是平臺(tái)自身業(yè)務(wù)、項(xiàng)目、用戶和權(quán)限的管理單元。

5 教學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

云邊端協(xié)同平臺(tái)從框架、技術(shù)、設(shè)備上滿足了智慧學(xué)習(xí)環(huán)境在線化的需求，但只有實(shí)際上提高教育教學(xué)的效果、效率和效益，才能煥發(fā)生命力。在教學(xué)過程中，學(xué)生需要直觀掌握學(xué)業(yè)成績(jī)來調(diào)節(jié)學(xué)習(xí)過程，教師需要監(jiān)督課程進(jìn)度來調(diào)整教學(xué)策略，因此建設(shè)一個(gè)能夠讓學(xué)生主動(dòng)參與到學(xué)習(xí)過程的開放式、泛在式、個(gè)性化的教學(xué)系統(tǒng)顯得尤為必要。

結(jié)合大數(shù)據(jù)實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)課程，來設(shè)計(jì)知識(shí)傳授在線化過程。大數(shù)據(jù)課程大綱明確教學(xué)目標(biāo)為：通過教學(xué)使學(xué)生掌握數(shù)據(jù)分析和處理基本能力，具備大數(shù)據(jù)思維，能夠自主開展大數(shù)據(jù)應(yīng)用和創(chuàng)新。為了培養(yǎng)與提升這些能力，需要從總結(jié)性和形成性評(píng)估角度跟蹤學(xué)生學(xué)習(xí)進(jìn)度。對(duì)于采取在線方式學(xué)習(xí)的學(xué)生而言，需要鼓勵(lì)學(xué)生主動(dòng)提出問題、協(xié)作解決問題、針對(duì)性開展測(cè)試，激發(fā)學(xué)習(xí)自主性和學(xué)習(xí)熱情。因此，教學(xué)系統(tǒng)在督促學(xué)生聽課、記筆記、通過考試之外，將賦予學(xué)生更多的學(xué)習(xí)角色和責(zé)任，以督促其建立自主的學(xué)習(xí)方法。

5.1 建設(shè)問題庫和測(cè)試系統(tǒng)

在線學(xué)習(xí)過程中，有效學(xué)習(xí)往往不再是個(gè)體建構(gòu)的結(jié)果，而表現(xiàn)為群體之間的協(xié)作?；趨f(xié)作理論，可以建設(shè)師生共同訪問的、透明的、經(jīng)過驗(yàn)證的問題庫。作為豐富問題庫的關(guān)鍵措施，每個(gè)學(xué)生必須在課程中從給定的主題中想出至少一個(gè)問題并找到解決方案，并根據(jù)這些問題制作測(cè)驗(yàn)系統(tǒng)。測(cè)驗(yàn)包括三種類型：（1）教師設(shè)計(jì)的測(cè)驗(yàn)，教師設(shè)計(jì)類別及難度，每個(gè)學(xué)生都需要參加；（2）個(gè)性化測(cè)驗(yàn)，基于學(xué)生回答問題的情況，將認(rèn)定為學(xué)生沒有完全理解的問題進(jìn)行合并，反復(fù)推薦給學(xué)生參加；（3）學(xué)生期盼的測(cè)驗(yàn)，根據(jù)學(xué)生與聊天機(jī)器人交互內(nèi)容，由聊天機(jī)器人分析輸入情況并收集關(guān)鍵字，從中生成分類。

學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中回答問題情況和參加測(cè)驗(yàn)的結(jié)果作為學(xué)期的形成性評(píng)估依據(jù)，學(xué)生也可以據(jù)此預(yù)測(cè)未來的學(xué)習(xí)成績(jī)，并根據(jù)個(gè)人需要制定學(xué)習(xí)計(jì)劃。教師根據(jù)每個(gè)問題回答情況，可以看到問題分?jǐn)?shù)的高斯分布，提煉共性問題用于學(xué)期末的書面考試。

5.2 豐富個(gè)性化指標(biāo)體系

在知識(shí)傳授過程中，需要制定個(gè)性化的指標(biāo)體系以提升學(xué)生學(xué)業(yè)。這些指標(biāo)包括：學(xué)習(xí)覆蓋率、學(xué)生答題率和成功率、學(xué)生滿意度、回答問題效率和學(xué)習(xí)期望等。學(xué)習(xí)覆蓋率是指學(xué)生參加的測(cè)驗(yàn)中包含的課程大綱中的概念之和。學(xué)生答題率和成功率，指學(xué)生答題情況和成功情況的覆蓋程度，如果學(xué)生對(duì)課程的答題率達(dá)到了百分之百或者成功率達(dá)到一定參數(shù)，就可以對(duì)學(xué)生進(jìn)行有效激勵(lì)。學(xué)生滿意度是通過學(xué)生的打分和評(píng)論環(huán)節(jié)，將文本反饋數(shù)據(jù)輸入到情感分析機(jī)器學(xué)習(xí)模型中，綜合計(jì)算反饋平均值，以確定用戶的滿意狀態(tài)?；卮饐栴}效率通過測(cè)驗(yàn)中的正答率來衡量，如果學(xué)生重復(fù)同一個(gè)問題的次數(shù)和給出答案的正答率較高，意味著這個(gè)問題可能被大多數(shù)人掌握，教師需要提高它的難度水平，以更好反映此類問題掌握的深度，反之，往往意味著學(xué)生對(duì)某一個(gè)問題的答案概念不清、存在疑問或容易犯錯(cuò)。學(xué)習(xí)期望則直觀表現(xiàn)為學(xué)生要求進(jìn)行的測(cè)驗(yàn)次數(shù)和提交給教師審核的問題數(shù)量。通過這些指標(biāo)數(shù)據(jù)的收集，并結(jié)合學(xué)習(xí)目標(biāo)進(jìn)行可視化展現(xiàn)，可以直觀衡量和反映學(xué)生的進(jìn)步[9]。

5.3 增強(qiáng)學(xué)習(xí)環(huán)境

學(xué)生的自主學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)和低焦慮學(xué)習(xí)狀態(tài)可以產(chǎn)生深層次學(xué)習(xí)方法。為增加學(xué)生學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)，應(yīng)靈活采用游戲元素，將學(xué)習(xí)過程設(shè)置為小單元游戲，根據(jù)參與情況科學(xué)設(shè)置獎(jiǎng)勵(lì)、進(jìn)度等級(jí)，這將使學(xué)習(xí)過程變得有趣，學(xué)生也更容易投入。而低焦慮學(xué)習(xí)狀態(tài)來源于過程評(píng)價(jià)的隱性化，學(xué)生不必再擔(dān)心因?yàn)閷W(xué)習(xí)期間所進(jìn)行的活動(dòng)而在課堂上被批評(píng)，教師可以通過教師面板了解學(xué)生完成學(xué)習(xí)任務(wù)、學(xué)習(xí)績(jī)效評(píng)估和協(xié)作互動(dòng)過程中體現(xiàn)出的對(duì)知識(shí)的掌握情況。在學(xué)生同意的情況下，可以通過網(wǎng)絡(luò)日志形式記錄學(xué)生在遠(yuǎn)程互動(dòng)中的所有行為，然后根據(jù)每個(gè)會(huì)話持續(xù)時(shí)間將交互行為量化為短交互作用、中交互作用和長(zhǎng)交互作用，根據(jù)短、中、長(zhǎng)交互的比例直觀反映學(xué)生學(xué)習(xí)情況。

6 結(jié)語

基于云邊端協(xié)同技術(shù)，從物理環(huán)境上滿足了在線教育的網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)和交互要求，能夠從學(xué)習(xí)表現(xiàn)、學(xué)習(xí)行為、學(xué)習(xí)概況和個(gè)人因素等對(duì)學(xué)生個(gè)性化需求進(jìn)行即時(shí)分析，從而為遠(yuǎn)程學(xué)生創(chuàng)設(shè)交互式、適應(yīng)性的真實(shí)學(xué)習(xí)情境。另外，還可以基于然語言處理對(duì)學(xué)生回答問題的情況進(jìn)行情感分析，以決定是積極的還是消極的反饋。而通過自適應(yīng)和即時(shí)學(xué)習(xí)支持，可以跟蹤學(xué)生的學(xué)習(xí)進(jìn)度和學(xué)習(xí)狀態(tài)，使學(xué)生獲得更準(zhǔn)確的個(gè)性化學(xué)習(xí)反饋。隨著更多新技術(shù)的融入和發(fā)展，如何在云邊端協(xié)同的智慧學(xué)習(xí)環(huán)境中，將教師的知識(shí)以更加智能、多樣、高效的方式傳遞給學(xué)生，將是下一步研究的重點(diǎn)。